הספין הוא זה שעושה את ההבדל

פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


ביומולקולות כגון חומצות אמינו וסוכרים מתרחשות בשתי צורות של תמונת מראה – בכל האורגניזמים החיים, עם זאת, רק אחד נמצא אי פעם. מדוע זה המצב עדיין לא ברור. חוקרים מ-Empa ו-Forschungszentrum J lich בגרמניה מצאו כעת ראיות לכך שמשחק הגומלין בין שדות חשמליים למגנטיים יכול להיות מקור התופעה הזו.

פרסומת

מה שמכונה ההומוקירליות של החיים – העובדה שכל הביו-מולקולות באורגניזמים חיים מתרחשות רק באחת משתי צורות של תמונת מראה – תמהה מספר מאורות מדעיים, ממגלה הכיראליות המולקולרית, לואי פסטר, ועד וויליאם תומסון (לורד קלווין) וחתן פרס נובל פייר קירי. הסבר חד משמעי עדיין חסר, שכן לשתי הצורות יש, למשל, אותה יציבות כימית ואינן נבדלות זו מזו בתכונות הפיזיקליות-כימיות שלהן. עם זאת, ההשערה שמשחק הגומלין בין שדות חשמליים למגנטיים יכול להסביר את ההעדפה לצורת תמונת מראה כזו או אחרת של מולקולה – מה שנקרא אננטיומרים – צצה בשלב מוקדם.

עם זאת, רק לפני שנים ספורות הופיעו העדויות העקיפות הראשונות לכך שהשילובים השונים של שדות הכוח הללו אכן יכולים "להבחין" בין שתי תמונות המראה של מולקולה. זה הושג על ידי חקר האינטראקציה של מולקולות כיראליות עם משטחים מתכתיים המציגים שדה חשמלי חזק למרחקים קצרים. המשטחים של מתכות מגנטיות כמו ברזל, קובלט או ניקל מאפשרים אפוא לשלב שדות חשמליים ומגנטיים בדרכים שונות – כיוון המגנטיזציה פשוט הפוך, מ"צפון למעלה – דרום למטה" ל"דרום למעלה – צפון מטה." אם משחק הגומלין בין מגנטיות ושדות חשמליים גורם למעשה להשפעות "אננטיוסלקטיביות", אז עוצמת האינטראקציה בין מולקולות כיראליות ומשטחים מגנטיים צריכה להיות שונה, למשל – תלוי אם מולקולה ימנית או שמאלית "מתיישבת" על פני השטח.

תמונות מראה מעדיפות שדות מגנטיים מנוגדים

וזה אכן המקרה, כפי שצוות חוקרים בראשות קרל היינץ ארנסט מהמעבדה של Empa's Surface Science and Coating Technologies ועמיתיו במכון פיטר גרינברג ב-Forschungszentrum Jülich בגרמניה דיווחו לאחרונה בכתב העת המדעי. חומרים מתקדמים. הצוות ציפה משטח נחושת (לא מגנטי) ב"איים" קטנים ודקים במיוחד של קובלט מגנטי וקבע את כיוון השדה המגנטי באלה באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה מקוטב בספין; כפי שהוזכר קודם, זה יכול לפעול בשני כיוונים שונים בניצב למשטח המתכת: צפון למעלה או דרום למעלה. לאחר מכן הם הפקידו מולקולות כיראליות בצורת ספירלה – תערובת של 1:1 של מולקולות הפטהליצין ימניות ושמאליות – על איי הקובלט הללו בוואקום גבוה במיוחד.

אחר כך הם "פשוט" ספרו את מספר מולקולות ההליקן הימני והשמאלי באיי הקובלט הממוגנטים בצורה שונה, כמעט 800 מולקולות בסך הכל, שוב באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה. והנה: בהתאם לכיוון השדה המגנטי, צורה אחת או אחרת של ספירלות ההליקן התיישבה בצורה מועדפת (ראה בצד ימין של הגרפיקה).

יתרה מכך, הניסויים הראו שהבחירה – ההעדפה לאננטיומר כזה או אחר – מתרחשת לא רק במהלך הקישור על איי הקובלט, אלא כבר לפני כן. לפני שהמולקולות תופסות את מיקומן הסופי (המועדף) באחד מאיי הקובלט, הן נודדות למרחקים ארוכים על פני משטח הנחושת במצב מבשר קשור חלש משמעותית ב"חיפוש" אחר מיקום אידיאלי. הם קשורים רק לפני השטח על ידי מה שנקרא כוחות ואן דר ואלס. אלה נגרמים רק על ידי תנודות במעטפת האלקטרונית של אטומים ומולקולות ולכן הם חלשים יחסית. העובדה שגם אלה מושפעים ממגנטיות, כלומר כיוון הסיבוב (ספין) של האלקטרונים, לא הייתה ידועה עד כה.

אלקטרונים עם ספין "שגוי" מסוננים החוצה

באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה, החוקרים הצליחו גם לפתור תעלומה נוספת, כפי שדיווחו בכתב העת Small בנובמבר האחרון. הובלת אלקטרונים – כלומר זרם חשמלי – תלויה גם בשילוב של יכולת מולקולרית ומגנטיזציה של פני השטח. בהתאם למידת הידיות של המולקולה הקשורה, אלקטרונים עם כיוון אחד של ספין זורמים עדיפות – או "מנהרה" – דרך המולקולה, כלומר אלקטרונים עם ספין "שגוי" מסוננים החוצה. סלקטיביות ספין הנגרמת על ידי כיראליות (אפקט CISS, ראה בצד שמאל של הגרפיקה) כבר נצפתה במחקרים קודמים, אך לא היה ברור אם אנסמבל של מולקולות נחוץ לשם כך או שמא מולקולות בודדות מציגות גם השפעה זו. ארנסט ועמיתיו הצליחו כעת להראות שמולקולות הליקן בודדות מציגות גם את אפקט CISS. "אבל הפיזיקה מאחורי זה עדיין לא מובנת", מודה ארנסט.

חוקר האמפה גם מאמין שממצאיו בסופו של דבר אינם יכולים לענות באופן מלא על שאלת הכיראליות של החיים. במילים אחרות, השאלה שזוכה פרס נובל בכימיה וכימאי ETH ולדימיר פרלוג תיאר כ"אחת הבעיות הראשונות של תיאולוגיה מולקולרית" בהרצאתו בפרס נובל ב-1975. אבל ארנסט יכול לדמיין שבתגובות כימיות מסוימות מזורזות פני השטח — כמו אלה שיכולים היו להתרחש ב"מרק הקדמון" הכימי על כדור הארץ המוקדם — שילוב מסוים של שדות חשמליים ומגנטיים יכול היה להוביל להצטברות מתמדת של צורה כזו או אחרת של הביומולקולות השונות — ו ובכך בסופו של דבר לידיעת החיים.



קישור לכתבת המקור – 2024-02-20 21:45:45

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר